Металлы, входящие в состав стоматологических сплавов

В зубопротезной технике в качестве основных и вспомогательных матералов широко используют металлы и их сплавы. Металлы применяют для изготовления протезов в целом, их отдельных деталей, ортодонтических и челюстных аппаратов, в качестве припоев.

Легкоплавкие металлы (олово, свинец, висмут) и их сплавы используют для изготовления штампов. Сплавы металлов, используемые в стоматологии, должны быть устойчивыми к коррозии, не оказывать вредного воздействия на организм.

Зубной техник должен помнить, что обработка протеза влияет на переносимость сплавов. Необходимо строго учитывать рекомендации завода-изготовителя сплавов. Состав и способ обработки сплавов, используемых в практике зубного протезирования, определяют их качество. Знание основных физико-механических и химических свойств металлов помогает врачу и зубному технику в выборе сплава для изготовления зубных протезов.

Физические свойства металлов:

• цвет;

• плотность и удельный вес;

• температура плавления;

• температура кипения;

• теплопроводность;

• электропроводность;

• усадка.

Каждый металл имеет характерный цвет, что позволяет по оттенкам дифференцировать различные металлы. Цвет сплавов зависит от состава и от количественных соотношений составляющих металлов. При добавлении меди золото приобретает красноватый оттенок, а при добавлении серебра становится зеленоватым. Для получения желаемого цвета сплава металлы соединяют в определённых соотношениях. Чем больше массы вещества в единице объёма металла или сплава, тем он плотнее.

Все металлы, за исключением ртути, обычно находятся в твёрдом состоянии. Если металл нагреть до определённой температуры, то он переходит из твёрдого состояния в жидкое, т.е. начинает плавиться. Температура, при которой металл переходит из твёрдого состояния в жидкое, называется температурой плавления. Эта температура остаётся постоянной до тех пор, пока весь металл не расплавится. Например, температура плавления золота 1064 °C. Это значит, что для расплавления куска золота его необходимо нагреть до 1064 °C. Если продолжать нагрев расплавленного металла, то можно довести его до температуры кипения, и металл начнет переходить из жидкого состояния в газообразное.

При составлении сплавов из различных металлов учитывают температуру кипения отдельных металлов, с тем чтобы не утерять их из сплава. Например, температура плавлениязолота 1064 °C, а температура кипения цинка, входящего в состав золотых припоев, ниже и составляет 419 °C и 320 °C. Если не учесть этого во время составления припоя, то цинк может улетучиться.

Способность проводить тепло называется теплопроводностью. Все металлы обладают теплопроводностью различной степени выраженности. Серебро, медь проводят тепло хорошо, а свинец - плохо. Теплопроводность выражается количеством тепла в калориях, переданным металлом за единицу времени. За единицу меры теплопроводности металла принято считать теплопроводность серебра, принимаемую за 100. В порядке уменьшения теплопроводности металлы можно расположить следующим образом:

• серебро;

• медь;

• золото;

• алюминий;

• цинк;

• олово;

• железо;

• свинец.

Под электропроводностью понимается способность вещества проводить электрический ток, обусловленная существованием в них подвижных заряженных частиц - электронов. При прохождении электрического тока по проводнику последний оказывает некоторое сопротивление. Это сопротивление будет тем больше, чем длиннее проводник. Чем он тоньше, тем хуже данный материал проводит ток. Сопротивление материала измеряют удельным сопротивлением, обозначающим сопротивление его отрезка длиной в 1 м при площади сечения в 1 мм2. Величина, обратная удельному сопротивлению, служит для измерения способности данного материала проводить ток и называется удельной проводимостью. Чтобы определить удельную проводимость, следует единицу разделить на удельное сопротивление.

В результате изменения размеров металлов при температурных колебаниях возникает так называемая усадка, т.е. сокращение объёма отлитых металлических деталей после их охлаждения.

Усадка характеризуется процентом уменьшения объёма изделия по отношению к модели (литьевой форме). Она зависит от природы металлов, степени их нагрева и способа их охлаждения. Усадка имеет большое значение в литейном деле, поскольку нарушает точность отлитых деталей. Это свойство необходимо учитывать при изготовлении литых деталей, выбирая сплавы с меньшей усадкой. Следует также пользоваться компенсационными формовочными массами и соблюдать режим плавления, не допуская чрезмерного перегрева сплава. Величину усадки можно вычислить, зная коэффициент объёмного расширения.

Коэффициент линейного расширения металлов при различных температурах неодинаков, поэтому, определяя удлинение при нагревании, необходимо пользоваться средним коэффициентом температурного линейного расширения для данного интервала температур.

Для получения полного представления рассмотрим каждый из часто применяемых в практической работе металлов в отдельности.

Золото (Аu) в природе встречается в виде самородков или мелких частиц, смешанных с песком (рассыпное золото). Единственное химическое соединение золота в природе - каловерит (AuTe - соединение золота с теллуром) встречается очень редко.

Извлечение золота из руд может осуществляться одним из следующих способов:

• путём промывки;

• амальгамирования;

• цианирования;

• выплавления золота из руд вместе с другими цветными металлами.

Промывка основана на разности удельного веса и заключается в отделении золота от примесей.

Амальгамирование - это растворение золота в ртути. Цианирование - это растворение золота в цианидах с последующим высаживанием цинковой пылью.

Золото имеет жёлтый цвет. Удельный вес - 19,32. Температура плавления - 1064 °С, температура кипения - 2550 °С. Теплопроводность большая - 68,3. Усадка - 5,2%.

Чистое золото - мягкое, ковкое и тягучее, может быть выковано в листочки толщиной в 0,0001 см. Твёрдость золота по Бринеллю - 25. Временное сопротивление - 11,9 кг/мм2, удлинение - 15,0. Золото не окисляется при нагревании и не растворяется в кислотах и щелочах, кроме царской водки (смесь концентрированной соляной и азотной кислот в пропорции 3:1).

Золото в чистом виде для стоматологических целей не применяют, поскольку оно слишком мягкое и недостаточно прочное. Оно легко соединяется со многими металлами. Для технических целей используют сплавы золота с другими металлами (лигатурное золото).

Металлы, добавляемые к золоту, придают сплавам определённые физические свойства. Температура плавления сплава золота с увеличением в нём количества серебра понижается. При добавлении 50% серебра сплав приобретает белый цвет. Медь придаёт сплаву красноватый оттенок и твёрдость. Сплав из 75% золота, 10% меди и 15% серебра называется зелёным золотом. Сплав золота с серебром и палладием называется белым золотом. Золото становится эластичным, если прибавить к нему небольшое количество платины. В стоматологической практике чаще всего применяют сплавы золота с серебром и медью, обладающие необходимой твёрдостью и имеющие красивый жёлтый цвет. До 1927 г. в нашей стране для выражения пробы пользовались числом золотников чистого благородного металла (золота, платины или серебра) в 96 золотниках сплава. Химически чистое золото соответствовало 96-й пробе.

В ряде стран применяют каратную систему проб сплава золота. Проба химически чистого золота по этой системе соответствует 24 каратам. В процессе работы с благородными металлами и их сплавами иногда возникает необходимость в определении пробы. Для этого используют хлорное золото и растворы кислот.

Хлорное золото - это водный раствор золотисто-жёлтого цвета, который применяют для

проверки золотых сплавов и изделий низких проб (до 583-600-й пробы). Перед проверкой сплавов и изделий из золота реактивами необходимо тщательно очистить их поверхность от загрязнения напильником или наждачной бумагой. На очищенную поверхность наносят каплю реактивов и наблюдают за его действием стеклянной палочкой. О результатах судят по изменению цвета сплава. На латунной пластинке появляется чёрное пятно. На сплавах золота до 300-й пробы хлорное золото образует грязные жёлто-зелёные пятна, на сплавах 450-й пробы и выше - каштановые пятна разной интенсивности, на сплавах и изделиях 585-й пробы - светлые ажурные пятна. На сплаве выше 600-й пробы хлорное золото следа не оставляет.

В зубопротезной практике золото применяют с древних времён. Обладающее хорошими механическими свойствами и неокисляемостью золото используют для изготовления вкладок, штифтовых зубов, коронок, мостовидных и бюгельных протезов. В России в зубопротезировании используют сплавы золота 900 и 750 проб.

Платина (Pt). В природе встречается в виде самородка реже золота и ценится гораздо дороже. Платина имеет серовато-белый блестящий цвет, удельный вес её - 21,5. Температура плавления - 1770 °С, температура кипения - 2450 °С. Благодаря небольшой усадке платину и её сплавы используют при литье мелких и точных деталей. Твёрдость платины по Бринеллю -50, временное сопротивление - 25 кг/мм2, удлинение - 40%. Из неё можно раскатать тонкую фольгу и вытянуть очень тонкую проволоку. Химическая стойкость платины очень высокая.

Платина не окисляется на воздухе, не растворяется ни в каких кислотах, кроме царской водки. В зубопротезной технике золотые сплавы с платиной используют для изготовления вкладок, штифтовых конструкций, коронок, мостовидных протезов, в том числе металлокерамических.

Серебро (Ag). В природе встречается в виде самородка и в виде соединений, имеет белый цвет. Серебро хорошо проводит электричество и тепло. Удельный вес серебра - 10,5, температура плавления - 960 °С, температура кипения - 1955 °С, усадка - 4,4%. Твёрдость серебра выше, чем у золота, и ниже, чем у меди. Твёрдость его - 26, временное сопротивление - 16 кг/мм2, удлинение доходит до 45%.

Серебро при нагревании хорошо растворяется в азотной и серной кислотах. Соляная кислота действует на серебро слабо. Серебро используют для изготовления монет, ювелирных изделий, ложек, ножей, вилок и т.д. Для этой цели в сплав серебра добавляют 10-30% меди, что улучшает его механические свойства.

Серебро обладает бактерицидным свойством - убивает болезнетворные и гнилостные бактерии, стерилизует воду, даже когда содержится в количестве миллиардных долей граммана литр.

Для изготовления зубных протезов серебро непригодно ввиду того, что оно в чистом видеи в виде соединений в полости может подвергаться окислению. Серебро не обладает достаточной прочностью. Серебро, добавленное в золотые сплавы, придаёт им более светлый оттенок и снижает температуру плавления. Оно входит в состав припоев для золота и нержавеющей стали. Отбелом для серебра служит разбавленная серная кислота.

Медь (Cu). Известно, что индейцы в Северной Америке ещё в 3000 г. до н.э. добывали медь и готовили из неё оружие, инструменты и украшения. В природе медь встречается в виде медного колчедана (CuFeS), медного блеска (CuS2), халькозина (Cu2S) и окисленной медной руды (Cu2O). Медь имеет красный цвет. Удельный вес - 8,8, температура плавления - 1083 °С, температура кипения - 2310 °С. Медь хорошо проводит электрический ток и тепло.

Теплопроводность меди такая же, как у серебра. Медь хорошо отливается, усадка её меньше, чем у золота (4,4%).

Медь легко поддаётся ковке, прокатке и протяжке в горячем и в холодном состоянии. Твёрдость меди - 40, временное сопротивление разрыву - 19 кг/мм2, удлинение - 35%. Медь быстро окисляется во влажной среде или при нагревании, покрывается при этом защитной плёнкой зеленоватого цвета, предохраняющей её от коррозии.

Медь растворяется в азотной и серной кислотах, в щелочах, в растворе поваренной соли. В чистом виде медь - хороший проводник электрического тока, её применяют в электротехнике. Медь - это составная часть многочисленных сплавов (латунь, бронза и др.). Из сплавов на медной основе делают части машин и станков, предметы домашнего обихода, монеты и т.д. В зубопротезной технике медь входит в состав золотых сплавов и припоев, улучшая их механические свойства (повышает твёрдость и вязкость). Из меди делают некоторые инструменты и аппараты для оборудования зуботехнической лаборатории (молоточки для штамповки стальных коронок, кюветы для полимеризации пластмассы и др.).

Олово (Sn) - древний металл, имеющий большое значение. Олово (Sn) в природе встречается в виде оловянного камня (SnO2). Он имеет блестящий серебристо-белый цвет.

Удельный вес олова - 7,28, температура плавления - 232 °С, температура кипения - 2270 °С. Олово плохо проводит электрический ток, теплопроводность его - 5,8. Усадка олова составляет 2,7%. Благодаря своей ковкости олово может быть прокатано в тонкую фольгу. Твёрдость его- 3, сопротивление на разрыв около 3,5 кг/мм2, удлинение - 10%. Атмосферный воздух оказывает на олово слабое действие. Концентрированная серная кислота, в отличие от разбавленной, быстро растворяет его. Крепкая азотная кислота переводит олово в метаоловую кислоту, нерастворимую в других кислотах. Для изготовления типографского шрифта используют сплав олова со свинцом и сурьмой.

При сплавлении олова с медью и цинком получается бронза. Сплав олова с золотом отличается ковкостью. Сплавы олова с серебром весьма стойки против окисления. Олово имеет низкую тепло- и электропроводность.

В зубопротезной технике олово используют как изолирующую прокладку либо в качестве покрытий для железных и медных предметов (лужения) в целях предохранения их от коррозии.

В зубопротезировании олово используют в качестве легирующей добавки в металлокерамических сплавах и в составе легкоплавкого сплава вместе со свинцом и висмутом.

Свинец (Pb) имеет синевато-серый блестящий цвет. Удельный вес его - 11,37. Температура плавления - 327,4 °С, температура кипения - 1555 °С. Свинец плохо проводит электричество и тепло, теплопроводность его - 8,4. Свинец имеет небольшую усадку - 1,4%. Он очень мягок, тягуч и непрочен. Временное сопротивление - 1,25 кг/мм2, удлинение - 15%.

Под влиянием влажного воздуха свинец окисляется на поверхности. Серная и соляная кислоты в холодном состоянии на свинец не действуют, а азотная кислота растворяет его. Способность свинца сплавляться с золотом и серебром используют для извлечения последних из руды. Сплавы свинца с оловом дают легкоплавкие припои. Из сплавов свинца с висмутом и оловом изготавливают штампы для штамповки коронок.

Цинк (Zn) имеет синевато-серый цвет. Его удельный вес - 7,2, температура плавления - 419 °С, температура кипения - 918 °С. Цинк при 500 °С горит ярким синевато-зелёным пламенем. Цинк более теплопроводен, чем остальные легкоплавкие металлы. Теплопроводность его - 27. Электричество он проводит лучше, чем олово и свинец. Усадка цинка большая и составляет 6,5%.

В холодном состоянии цинк хрупкий и ломкий, он становится ковким и прокатывается в тонкие листы при температуре между 100 и 150 °С, а при 205 °С снова становится хрупким.

Твёрдость цинка - 30-35, временное сопротивление - 23,5 кг/мм2, удлинение - 12-8%. Цинк довольно стоек против окисления. Он растворяется в разведённых кислотах (соляной и серной). Цинк используют для покрытия железных предметов для предохранения их от ржавчины. Цинк легко сплавляется со многими металлами (золото, серебро, медь, алюминий, висмут, никель и др.) и хорошо разливается. Он входит в состав большинства припоев, которые от присутствия цинка лучше растекаются.

Хром (Cr) распространён в природе в виде соединений. Основная руда, из которой добывают хром, - это хромит или хромистый железняк (Fe2Cr2O3). Присутствие в рудах хрома придаёт им зеленоватую окраску. Хром имеет блестящий цвет. Удельный вес - 7,2, температура плавления - 1615 °С, температура кипения - 2200 °С. Хром - это очень твёрдый и хрупкий металл. Твёрдость его по Бринеллю - 450, удлинение на разрыв составляет 6%.

Хром устойчив к окислению. На него не действуют царская водка и азотная кислота, слабо действуют разбавленная серная и соляная кислоты. Растворяется хром в крепкой соляной кислоте. Широко используют его для покрытия металлических предметов хромовой оболочкой (хромирование). Некоторые предметы хромируют, чтобы предохранить их от изнашивания вследствие трения, другие - для большей химической стойкости (хирургические и зубоврачебные инструменты, боры и т.п.).

Хром входит в состав нержавеющей стали, придавая ей твёрдость и химическую стойкость. Из окиси хрома готовят полировочную пасту для полировки металлических частей протезов. Хром вводят в состав основных никель-хромовых и кобальто-хромовых зубопротезных сплавов для изготовления цельнолитых конструкций.

Никель (Ni) был открыт в 1751 г. шведским химиком и минералогом А. Кронштедтом. Он имеет серебристо-белый цвет. Удельный вес - 8,9, температура плавления - 1455 °С,

температура кипения - 2900 °С, теплопроводность - 14, усадка - 1,98%. Если к сплаву добавить никель, усадка сплава уменьшится.

К основным механическим свойствам никеля относят вязкость, тягучесть и ковкость. Твёрдость по Бринеллю - 70 кгс/мм2, временное сопротивление - 50 кг/мм2, удлинение - 45%. На никель слабо действуют соляная, серная и концентрированная азотная кислоты.

Никель устойчив к окислению. Его используют для покрытия металлических предметов (хирургических инструментов) с целью придания им отражающего зеркального блеска, для улучшения механических свойств и повышения химической устойчивости. Сплав с хромом состоит из 60-80% никеля и 10-20% хрома. Нихром устойчив к окислению и плохо проводит электричество. Его используют для изготовления спиралей в электронагревательных приборах. В зубопротезной технике никель применяют в сплавах с железом (нержавеющая сталь) и хромом.

Железо (Fe) широко распространено в природе. Оно входит в состав живых организмов и растений, встречается повсюду в виде горных пород. Железо мягкое, тягучее и ковкое, прочность его невелика, но когда в нём присутствуют легирующие элементы, оно становится тверже и прочнее. При добавлении к нему углерода не выше 0,2% получается сталь. Сталь содержит больше углерода, тверже железа и крепче его и имеет большую упругость.

Железо извлекают из магнитного железняка (Fe3O4), красного железняка (Fe2O3), бурого железняка (2Fe2O33H2O), шпатового железняка (FeCO3), а также хромоникелевых и титаномагнетитовых руд. Чистое железо имеет серебристо-серый цвет. Удельный вес - 7,86, температура плавления - 1530 °С, температура кипения - 2450 °С. Теплопроводность - 14,7, усадка - 4,4%. Железо обладает хорошими механическими свойствами: твёрдость его достигает 70, временное сопротивление - 25 кг/мм2, удлинение - 50%. При нагревании железостановится ковким и тягучим.

Металлы могут находиться в твёрдом, жидком и газообразном состояниях. Когда разогретый металл застывает, т.е. переходит из жидкого состояния в твёрдое, то происходит процесс его кристаллизации. В том, что металлы в твёрдом виде имеют кристаллическое строение, можно легко убедиться, рассматривая излом металла. Металл ломается по плоскостям соединения отдельных кристаллов. Кристаллическое строение можно наблюдать на тщательно отполированной и протравленной кислотой поверхности металла. Кристаллы могут быть мелкими или крупными в зависимости от термических и механических воздействий. Например, сталь, нагретая до расплавления и медленно охлаждённая, имеет крупнозернистое строение. Крупнокристаллическое строение не делает сталь кислотоустойчивой и твёрдой, т.е. ухудшает химические и механические свойства сплава.

В зубопротезировании используют кислотоустойчивые нержавеющие стали.

Титан (Ti) имеет серебристо-белый цвет. В природе встречается в виде двуокиси титана TiO2 в минералах (ильпенит, рутил, анатаз, лопарий, титаний и др.). Впервые титан был выделен в 1795 г. немецким химиком М. Клапротом, который, изучая минерал рутил, выделил из него неизвестный металл, названный в дальнейшем титаном.

Автор установил, что четырьмя годами раньше этот элемент обнаружил англичанин В. Мак- Грегор в тяжёлом песке прибрежного посёлка Менакан. Далее выяснилось, что титан присутствует во многих минералах. По распространённости в природе титан занимает среди металлов 4-е место (после алюминия, железа и магния). Вырабатывают титан преимущественно из минералов рутила и ильменита.

Сегодня распространённым методом производства титана служит метод Кроля.

Он состоит в следующем.

· Концентрат, полученный при переработке титановой руды, подвергают хлорированию, в результате чего титан переходит в соединение с хлором (четырёххлористый титан). Этот промежуточный продукт нагревают в замкнутой реторте в среде инертного газа вместе с расплавленным магнием.

· Магний, отнимая у титана хлор (образуя хлористый магний), оставляет титан свободным, но не в форме компактного металла, а в виде пористой массы (губки), сильно загрязнённой хлористым магнием и частично избыточным металлическим магнием.

· Путём дальнейших сложных процессов рафинирования и переплава из этой титановой губки получают чистый титан.

Чистый титан очень пластичный (способен, не разрушаясь, изменять форму), более упругий, чем сталь, обладает хорошей вязкостью, противостоит воздействию ударов, стоек.

Важный показатель металла - это его предел текучести. Чем он выше, тем лучше материалсопротивляется износу. Высока и удельная прочность титана, хотя его удельный вес в 2 разаменьше удельного веса стали, нагрузки они выдерживают одинаковые.

Чистый титан имеет ряд недостатков:

• его нельзя назвать универсальным коррозионностойким металлом;

• у него сравнительно низкий модуль упругости;

• он склонен к абразивному износу.

Все это снижает эффективность применения его в чистом виде. Сплавы титана имеют явные преимущества в качестве конструкционных и коррозийно-стойких материалов.

В химическом отношении титан и его сплавы - это активные металлы. Благодаря тонкой оксидной плёнке, быстро образующейся на поверхности и состоящей преимущественно из двуокиси титана, они приобретают высокую коррозийную стойкость.

Титан принадлежит к тугоплавким металлам. Он переходит из твёрдого состояния в жидкое при температуре около 1690 °С. Титан относится к металлам с гексагональной пространственной решёткой, но при температуре около 880+20 °С происходит изменение в пространственном расположении атомов, при дальнейшем нагреве, вплоть до точки плавления, титан сохраняет кубическую объёмно- центрированную решётку.

По коррозионной стойкости титан превосходит даже высоколегированные коррозионностойкие стали. Такие стали в растворе, состоящем из 2 частей соляной кислоты и 1 части азотной кислоты, за год растворяются на глубину 10 мм, титан за это время - только на 0,005 мм.

Титан можно легировать различными элементами. Некоторые из них стабилизируют альфа-состояние, т.е. структуру с гексагональной решёткой, другие - бета-состояние, имеющиекубическую решётку. Соответственно различают сплавы альфа, бета и альфа+бета.

Коррозионностойкий сплав титана с 30% молибдена в некоторых агрессивных средах ведёт себя лучше, чем чистый титан.

Сплавы титана широко стали использовать не только в самолётостроении, в химической промышленности, но и в медицине. Всемирную известность получил протез тазобедренного сустава человека из сплава титана с кобальтом. Сплавы титана широко применяются в стоматологической имплантологии.